基于STM32的超声波雷达_基于stm32的超声波雷达检测系统

视频地址：1.基于STM32的超声波雷达-演示_哔哩哔哩_bilibili

备注：文档最后有所有文件的网盘地址

1. 项目展示

1.1. 最终效果

1.2. 项目硬件

全部必要硬件（左到右）：

• ST-LINK调试器：调试下载程序
• stm32f103c8t6核心板
• 1.8寸TFT显示器
• sg90舵机
• 超声波传感器

其他扩展硬件

• 超声波传感器转接板：方便超声波传感器接到舵机上和接线而已。
  
• 自己焊接洞洞板（不是必要硬件，只是方便接线）：同一排的引脚连通的，如标黄色的两个引脚是连接在一起的。（下面是正反面图）
  
• 另一个洞洞板，与上面一样不是必要硬件，只是方便接线
  

2. 方案设计

2.1. 需求分析

2.2. 方案设计

2.3. 外设型号

3. sg90舵机驱动

3.1. 简介

舵机的控制信号为周期是20ms 的脉宽调制（PWM)信号，其中脉冲宽度从0.5ms-2.5ms，相对应舵盘的位置为0—180度，呈线性变化。也就是说，给它提供一定的脉宽，它的输出轴就会保持在一个相对应的角度上，无论外界转矩怎样改变，直到给它提供一个另外宽度的脉冲信号，它才会改变输出角度到新的对应的位置上。舵机内部有一个基准电路，产生周期20ms，宽度1.5ms的基准信号，有一个比较器，将外加信号与基准信号相比较,判断出方向和大小，从而产生电机的转动信号。

舵机内部控制电路板接受来自信号线相应的PWM控制信号，进而控制电机转动，电机带动一系列齿轮组，减速后传动至输出舵盘。舵机的输出轴和位置反馈电位计是相连的，舵盘转动的同时，带动位置反馈电位计，电位计将输出一个电压信号到控制电路板，进行反馈，然后控制电路板根据所在位置决定电机的转动方向和速度，从而达到目标停止。

GND ：地线。

+5V ：舵机电源，接5V，（3.3V也可正常工作）。

PWM：舵机控制引脚。

引脚一般可以根据线的颜色区分：棕色GND、红色VCC、黄色PWM

3.2. 原理

• 舵机是一种根据输入PWM信号占空比来控制输出角度的装置输入，将PWM当作通讯协议来使用
• PWM信号要求：周期为20ms（50HZ），高电平宽度为0.5ms~2.5ms(占空比范围)

3.3. 代码

引脚连接关系：（PA1：定时器2的通道2）

核心代码：全部代码见文件夹工程

// 产生周期为20ms（50HZ），高电平宽度为0.5ms~2.5ms(占空比范围)
// ARR , PSC 可是多个值，
// ARR = 20000-1  PSC = 72-1;取这个值方便计算而已，其他值也可以
// 舵机电平要求0.5ms~2.5ms  既占空比：0.5ms/20ms = ccr/20000 ~ 2.5ms/20ms = ccr/20000 
// ccr 500 ~ 2500
void pwm_init(void)
{
    //1、打开时钟（TIM,GPIO）
    //2、配置GPIO为复用推挽输出
    //3、选择时钟源
    //4、配置时基单元
    //5、配置输出比较单元
    //6、运行控制（启动定时器）
 
    //1、打开时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);        // TIM2在APB1总线
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);       // GPIOA在APB2总线   
 
    //2、配置GPIO为复用推挽输出
    GPIO_InitTypeDef gpioInit;
    gpioInit.GPIO_Mode  = GPIO_Mode_AF_PP;      // 复用推挽输出（控制权给片上外设（定时器））
    gpioInit.GPIO_Pin   = GPIO_Pin_1;
    gpioInit.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;     //一般设置50MHZ即可
    GPIO_Init(GPIOA, &gpioInit);                
    
    //3、选择内部时钟
    TIM_InternalClockConfig(TIM2);                          
 
    //4、配置时基单元
    TIM_TimeBaseInitTypeDef timeInit;
    timeInit.TIM_ClockDivision      = TIM_CKD_DIV1;         // 外部时钟滤波单元的分频系数，没用，随便配置一个
    timeInit.TIM_CounterMode        = TIM_CounterMode_Up;   // 向上计数模式
    timeInit.TIM_Period             = 20000 - 1;            // 重装值
    timeInit.TIM_Prescaler          = 72-1;                 // 分频值
    timeInit.TIM_RepetitionCounter  = 0;                    // 重复计数器（高级定时器才有）
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &timeInit);
 
    //5、配置输出比较单元
    TIM_OCInitTypeDef ocInit;
    TIM_OCStructInit(&ocInit);                        // 结构体初始化（没引用的成员赋默认值）
    ocInit.TIM_OCMode      = TIM_OCMode_PWM1;         // 设置输出模式PWM1模式（先高电平，后低电平）
    ocInit.TIM_OCPolarity  = TIM_OCPolarity_High;     // 设置输出比较的极性不翻转
    ocInit.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;  // 设置输出使能
    ocInit.TIM_Pulse       = 0;                       // 设置ccr的值（用于调节占空比）
    TIM_OC2Init(TIM2, &ocInit);                       // 设置通道2输出PWM
 
    //6、运行控制（启动定时器）
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}
 
/**
 * @brief 设置pwm的占空比
 * 
 * @param ccr 根据舵机要求计算：取500-2500
 */
void pwm_setCCR(uint16_t ccr)
{
    TIM_SetCompare2(TIM2, ccr);    // 修改通道2ccr的值，实现修改占空比
}
 
/**
 * @brief 根据角度旋转舵机
 *        ccr取值500~2500  角度0~180
 *        500~2500范围是2000；  0~180范围是180
 *        等比例缩放 ccr/2000 = angle / 180
 *        ccr = angle / 180 *2000
 *        ccr是从500开始，所以还要再偏移500
 *        ccr = angle / 180 *2000 + 500
 * @param angle 旋转角度
 * 
 */
void servo_setAngle(float angle)
{
    uint16_t ccr;
    ccr = angle / 180 *2000 + 500;
    pwm_setCCR(ccr);
}

最终效果图

4. 超声波传感器驱动

4.1. 简介

HC-SR04超声波距离传感器的核心是两个超声波传感器。一个用作发射器，将电信号转换为40 KHz超声波脉冲。接收器监听发射的脉冲。如果接收到它们，它将产生一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离。

该传感器体积小，易于在任何机器人项目中使用，并提供2厘米至400厘米（约1英寸至13英尺）之间出色的非接触范围检测，精度为3mm，工作电压为5伏。

以下是完整的规格：

VCC ：HC-SR04超声波距离传感器电源引脚，接5V。

Trig ：(Trigger） 引脚用于触发超声波脉冲。

Echo ：回声当接收到反射信号时，引脚产生一个脉冲。脉冲长度与检测发射信号所需时间成正比。

GND ：地线。

4.2. 原理

• 采用IO口TRIG触发测距，给最少10us的高电平信号。
• 模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
• 有信号返回， 通过IO口ECHO输出一个高电平， 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
• 测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2

只要提供一个 10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个 40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。

公式： uS/58=厘米或者uS/148=英寸； 或是： 距离=高电平时间*声速（ 340M/S） /2；

建议测量周期为 60ms以上， 以防止发射信号对回响信号的影响

4.3. 代码

stm32和超声波传感器引脚连接关系：(PB6为定时器4通道1)

stm32和OLED显示屏引脚连接关系：（OLED调试超声波传感器需要用到）

核心代码：全部代码见文件夹工程

//返回超声波毫米值
uint32_t hcsr04_getValueMm(void)
{
    uint32_t dist, distMm;
    static uint64_t timeEnd;
 
    //触发超声波测量
    GPIO_WriteBit(GPIOB,TRIG_PIN,Bit_SET);				//Trig输出高电平
	delay_us(15);										//保持15微秒生效
	GPIO_WriteBit(GPIOB,TRIG_PIN,Bit_RESET);			//Trig输出低电平
 
    while((GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,ECHO_PIN) == 0));	//等待低电平结束,开始测量
    g_time = 0;											    //计时清零
	while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB,ECHO_PIN) == 1);	    //等待高电平结束,测量结束
    timeEnd = g_time;
    
    if(timeEnd/100 < 38)		    //判断是否小于38毫秒，大于38毫秒的就是超时，直接跳到下面返回0
	{
	  dist=(timeEnd*346) / 2;       //计算距离,25°C空气中的音速为346m/s
	  distMm=dist/100;		        //timeEnd单位是10微秒，得出单位为毫米的距离结果，还得除以100
	}else
	{
	  distMm=0;
	}
    
    return distMm;
}
 
//中断服务函数，回波计时，每10微秒g_time加1
void TIM4_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) == SET)		//获取TIM2定时器的更新中断标志位
    {
        g_time++;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);			//清除更新中断标志位
    }
}
 
//定时器4初始化
//定时10us，提供超声波测量时间
//定时器4中断服务函数再drv_sr04.c
void time4_init(void)
{
    //1、RCC开启时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);
	
	//2、选择时基单元的时钟源
	TIM_InternalClockConfig(TIM4);	//选择内部时钟（不写也行，默认就是内部时钟）
	
	//3、配置时基单元
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;		//外部时钟滤波单元的分频系数，没用，随便配置一个就行
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; 	//向上计数
	//频率 = CK_PSC / (PSC + 1) / (ARR + 1)  CK_PSC=72MHZ
	//时间=1/频率  72MHZ/72/10 ===》 10us
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72-1;					//分频值
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 10-1;						//周期，ARR自动重装器的值
	TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_RepetitionCounter =0;				//重复计数器的值，高级定时器才有，给0就行
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStruct);
	//TIM_TimeBaseInit设置自动更新会进一次中断，这边清除中断解决刚上电就会进一次中断的问题
    TIM_ClearFlag(TIM4,TIM_FLAG_Update);
    
    
	//4、配置中断输出控制
	TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);//更新中断到NVIC使能
	
	//5、配置NVIC
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);		//选择优先级分组2
	
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
	NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
	
	//6、配置运行控制
	TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);	//启动定时器3
}

最终效果图

5. TFT显示屏驱动

5.1. 简介

该显示屏是一块以ST7735S驱动的1.8英寸采用SPI通信的TFT全彩屏，分辨率是128*128，这里采用RGB565 16bit的色块编译模式（RGB565即高五位为Red，第五位为Blue，中间六位为Green，共16位）。本文仅设计该屏幕的简单应用，不对底层原理进行深究。

5.2. 原理

屏幕的参数配置的大体流程如下：

1. 执行0X11命令，退出睡眠模式，执行命令后延时120ms

   

2. 配置0XB1,0XB2,0XB3,0XB4寄存器，配置在不同颜色模式下屏幕的刷新率，0XB4寄存器配置屏幕是否反色

   

3. 配置0XC0,0XC1,0XC2,0XC3,0XC4寄存器，配置显示屏在不同颜色不同模式下的电压
4. 配置0X36寄存器，设置显存数据访问方式。如果颜色不正，注意查看颜色是顺序是的BGR的颜色顺序，有一位可以控制顺序的，36H的RGB位从1变到0颜色就正常了。

   

5. 配置0XE0,0XE1寄存器，配置伽马极性
6. 执行0X3A,设置像素格式

   

7. 执行0X29命令，进行显示

   

5.3. 取模

显示屏的显示原理就是在屏幕上打点，显示中文，英文，图片本质都是在对应的位置，将这些点事先找出来就是取模；中文，英文，图片都要先取模才能显示。

英文取模

附：ASCII码完整表：注第一个字符为空格，不要遗漏

!"#$%&'()*+,-./0123456789:;<=>?@ABCDEFGHIJKLMNOPQRSTUVWXYZ[\]^_`abcdefghijklmnopqrstuvwxyz{|}~

1. 打开取模软件

   

2. 左上角模式选择为字符模式

   

3. 点击选项

   

4.设置如下，然后点击确定。
> 点阵要选择的数要大于字符所占字节数，例如8x16的字符所占字节为 8x16/2=16,所以这里点阵选大于16就行

1. 以8x16ASCII取模为例：
   字宽字高都改为16，那么对应的ASCII码为8x16,字宽会变为原来的一半

   

2. 然后在输入栏输入ASCII码表

   

3. 点击生成字模生成的字模

   

4. 得到字模

   

8x16字模在例程font.h中已经取好 如下所示

中文取模

1. 开取模软件

   

2. 左上角模式选择为字符模式

   

3. 点击选项

   

4. 设置如下，然后点击确定。

   

5. 以16x16汉字取模为例：字宽字高都改为16

   

6. 然后在输入栏输入汉字

   

7. 点击生成字模

   

8. 生成的字模如下

   

8x16字模在例程font.h中已经取好 如下所示

注：每个字的字模前需要添加这个汉字，并用双引号括起来然后加上逗号！

图片取模

1. 打开下面文件夹的软件

   

2. 打开要取模的图片：以例程的40x40企鹅图片为例

   

   

3. 观察左下角的输入图像，如果显示如下这样，请看5

   

4. 如果显示无效的输入图像，那么请使用电脑自带的画图软件将图片转化为16色位的bmp格式图片。

   

5. 打开图片后设置如下

   

   
   最大宽度和高度：设置好后点击右边三角形设置按钮（注意：此软件只能缩小图片不能放大图片！缩小是等比例缩小！）
6. 然后点击保存，输入文件名，得到数据数组

   

5.4. 代码

引脚连接关系

LCD初始化代码：全部代码见文件夹工程

// lcd1.8寸 128*160 初始化函数
void lcd_init(void)
{
	lcd_gpio_init();
	spi_init();
 
	lcd_set_rest();			// lcd复位
 
	lcd_wr_bl(1);			// 打开背光
  	delay_ms(100);
	
	//************* Start Initial Sequence **********//
	lcd_wr_regist(0x11); //Sleep out 
	delay_ms(120);              //Delay 120ms 
	//------------------------------------ST7735S Frame Rate-----------------------------------------// 
	lcd_wr_regist(0xB1); 
	lcd_wr_data(0x05); lcd_wr_data(0x3C); lcd_wr_data(0x3C); 
	
	lcd_wr_regist(0xB2); 
	lcd_wr_data(0x05); lcd_wr_data(0x3C); lcd_wr_data(0x3C); 
 
	lcd_wr_regist(0xB3); 
	lcd_wr_data(0x05); lcd_wr_data(0x3C); lcd_wr_data(0x3C); 
	lcd_wr_data(0x05); lcd_wr_data(0x3C); lcd_wr_data(0x3C); 
 
	//------------------------------------End ST7735S Frame Rate---------------------------------// 
	lcd_wr_regist(0xB4); //Dot inversion 
	lcd_wr_data(0x03); 
 
	//------------------------------------ST7735S Power Sequence---------------------------------// 
	lcd_wr_regist(0xC0); 
	lcd_wr_data(0x28); lcd_wr_data(0x08); lcd_wr_data(0x04); 
 
	lcd_wr_regist(0xC1); 
	lcd_wr_data(0XC0); 
 
	lcd_wr_regist(0xC2); 
	lcd_wr_data(0x0D); lcd_wr_data(0x00); 
 
	lcd_wr_regist(0xC3); 
	lcd_wr_data(0x8D); lcd_wr_data(0x2A); 
 
	lcd_wr_regist(0xC4); 
	lcd_wr_data(0x8D); lcd_wr_data(0xEE); 
 
	//---------------------------------End ST7735S Power Sequence-------------------------------------// 
	lcd_wr_regist(0xC5); //VCOM 
	lcd_wr_data(0x1A); 
 
	lcd_wr_regist(0x36); //MX, MY, RGB mode 
	if(USE_HORIZONTAL==0)lcd_wr_data(0x00);
	else if(USE_HORIZONTAL==1)lcd_wr_data(0xC0);
	else if(USE_HORIZONTAL==2)lcd_wr_data(0x70);
	else lcd_wr_data(0xA0); 
	
	//------------------------------------ST7735S Gamma Sequence---------------------------------// 
	lcd_wr_regist(0xE0); 
	lcd_wr_data(0x04); lcd_wr_data(0x22); lcd_wr_data(0x07); 
	lcd_wr_data(0x0A); lcd_wr_data(0x2E); lcd_wr_data(0x30); 
	lcd_wr_data(0x25); lcd_wr_data(0x2A); lcd_wr_data(0x28); 
	lcd_wr_data(0x26); lcd_wr_data(0x2E); lcd_wr_data(0x3A); 
	lcd_wr_data(0x00); lcd_wr_data(0x01); lcd_wr_data(0x03); 
	lcd_wr_data(0x13); 
 
	lcd_wr_regist(0xE1); 
	lcd_wr_data(0x04); lcd_wr_data(0x16); lcd_wr_data(0x06); 
	lcd_wr_data(0x0D); lcd_wr_data(0x2D); lcd_wr_data(0x26); 
	lcd_wr_data(0x23); lcd_wr_data(0x27); lcd_wr_data(0x27); 
	lcd_wr_data(0x25); lcd_wr_data(0x2D); lcd_wr_data(0x3B); 
	lcd_wr_data(0x00); lcd_wr_data(0x01); lcd_wr_data(0x04); 
	lcd_wr_data(0x13); 
	//------------------------------------End ST7735S Gamma Sequence-----------------------------//
 
	lcd_wr_regist(0x3A); //65k mode 
	lcd_wr_data(0x05); 
	lcd_wr_regist(0x29); //Display on 
}

测试代码效果

6. 雷达功能实现

6.1. 雷达GUI设计

使用TFT显示屏的驱动，在屏幕上画出雷达GUI图像

1. 确定圆心（80，108），绘制多个圆

   

2. 绘图填充图像，去掉圆的下半部分

   

3. 绘制不同角度的斜线

   

4. 绘制角度，距离等提示信息

   

绘制雷达图像代码

// 根据角度和长度，绘制从圆心开始的斜线
void radar_line(double k,int r)
{
    int16_t x,y;
	
	x=80+r*(double)cos(k/180*3.1415926);	
	y=108-r*(double)sin(k/180*3.1415926);
	
	lcd_simple_line(80,108,x,y,GREEN);
	
}
//雷达图像
void radar_picture(void)
{   
	lcd_draw_chinese(80,0,GREEN,BLACK,16, 0,"超声波雷达"); 	
 
    //画圆:(圆心坐标,半径,颜色)
	lcd_simple_circle(80,108,76,GREEN);
	lcd_simple_circle(80,108,57,GREEN);
	lcd_simple_circle(80,108,38,GREEN);
	lcd_simple_circle(80,108,19,GREEN);
 
	lcd_simple_fill(0, 108, 160, 20, BLACK);	//去掉园的下半部分
 
    //画斜线:(角度,长度)
	radar_line(30,85);
	radar_line(60,85);
	radar_line(90,85);
	radar_line(120,85);
	radar_line(150,85);
	lcd_simple_line(0,108,160,108,GREEN);
 
	//数据信息
	lcd_draw_integer(0,   46, GREEN, BLACK, 16, 0, 3, 150);	// 150°数值
	lcd_draw_integer(38,  22, GREEN, BLACK, 16, 0, 3, 120); // 120°数值
	lcd_draw_integer(83,  20, GREEN, BLACK, 16, 0, 2, 90);  // 90°数值
	lcd_draw_integer(124, 32, GREEN, BLACK, 16, 0, 2, 60);  // 60°数值
    lcd_draw_integer(140, 49, GREEN, BLACK, 16, 0, 2, 30);  // 30°数值
 
	lcd_draw_chinese(21,  44, GREEN, BLACK, 16, 0, "°"); // 150°符号
    lcd_draw_chinese(59,  19, GREEN, BLACK, 16, 0, "°"); // 120°符号
    lcd_draw_chinese(97,  18, GREEN, BLACK, 16, 0, "°"); // 90°符号
    lcd_draw_chinese(137, 30, GREEN, BLACK, 16, 0, "°"); // 60°符号
    lcd_draw_chinese(152, 45, GREEN, BLACK, 16, 0, "°"); // 30°符号	
 
	lcd_simple_hz(0, 0, GREEN, "角度");
	lcd_simple_char(4,0,GREEN, ':');	
	lcd_simple_hz(4,0,GREEN ,"°"); //显示°
 
	lcd_simple_hz(0, 7, GREEN, "距离");
	lcd_simple_char(4, 7, GREEN, ':');
	lcd_simple_str(9,7,GREEN,"mm");	
}

6.2. 雷达功能实现

根据超声波传感器返回的距离值，根据屏幕尺寸等比例缩放，在屏幕上打印对应的点，下面是关键逻辑代码

while (1)
    {
       for (uint8_t i = 30; i <= 150; i++)  // 舵机旋转
        {
            distMm = hcsr04_getValueMm();   // 获取超声波数据
            uint16_t lcdMm = distMm/6;      // 等比例缩小，便于显示在屏幕上
            if(distMm <= 500)
            {
                lcd_simple_int(5,7, BLACK, 4, oldMn);   // 覆盖上次距离信息
                lcd_simple_int(5,7, GREEN, 4, distMm);  // 显示新的距离信息
                oldMn = distMm;
 
                radar_redPoint(i, lcdMm);   // 屏幕上打点
            }
            // lcd_draw_integer(3,114,3,GREEN,BLACK,16,0,distanceMm);
            servo_setAngle(i);
            lcd_simple_int(5,0, BLACK, 3, i-1);   // 覆盖上次距离信息
            lcd_simple_int(5,0, GREEN, 3, i);     // 显示新的距离信息
            delay_ms(20);
 
        }
        lcd_simple_int(5,0, BLACK, 3, 150);   // 覆盖上次内容
 
        for (uint8_t i = 30; i <= 150; i++) // 舵机往回旋转
        {
            distMm = hcsr04_getValueMm();   // 获取超声波数据
            uint16_t lcdMm = distMm/6;      // 等比例缩小，便于显示在屏幕上
            if(distMm <= 500)
            {
                radar_redPoint(180-i, lcdMm);
                lcd_simple_int(5,7, BLACK, 4, oldMn);   // 覆盖上次内容
                lcd_simple_int(5,7, GREEN, 4, distMm);  // 显示新的内容
                oldMn = distMm;
            }
            servo_setAngle(180 - i);
            
            lcd_simple_int(5,0, BLACK, 3, 180-i+1);   // 覆盖上次内容
            lcd_simple_int(5,0, GREEN, 3, 180-i);  // 显示新的内容
 
            delay_ms(20);
        
        }
        lcd_simple_int(5,0, GREEN, 3, 30);  // 显示新的内容
        
    }

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